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News: Theoretisches Schaumschlagen

In Brot, Eis, Knochen, Pflanzenstielen, Kunststoffen, erstarrter Magma - Schäume sind allgegenwärtig. Als gemeinsames Merkmal bestehen sie aus dünnen Filmen, die sich derartig um Hohlräume lagern, dass die Oberflächenenergie der Konstruktion minimal ist. Numerischen Simulationen zufolge ändern Schäume jedoch drastisch ihre Struktur, wenn der Außendruck auf das System immer weiter absinkt.
"Bei einem gewöhnlichen Flüssigkeitsschaum, wie zum Beispiel Seifenschaum, ist die elastische Energie des Films vernachlässigbar im Vergleich mit der Arbeit, die notwendig ist, um die Luft in den Blasen zu komprimieren", sagt Hassan Aref von der University of Illinois in Urbana-Champaign. "Abgesehen von der langsamen Umverteilung des Gases durch Diffusion und dem Reißen einzelner Filmschichten zwischen den Blasen, behalten die einzelnen Blasen ihr Volumen konstant bei. Stellen Sie sich vor, die Grenzflächenspannung würde stark ansteigen, dann wird die elastische Energie in den Filmen die Blasen zusammendrücken, und wir erhielten eine komplett andere Struktur."

Solche Experimente sind allerdings nicht ganz einfach durchzuführen. Daher wählten Aref und Dmitri Vainchtein einen theoretischen Ansatz (Physics of Fluids vom Dezember 1999). Sie leiteten die Zustandsgleichung für komprimierbaren Schaum her und führten dann numerische Simulationen durch. "Die Gleichung zeigt, dass Schaum, der sich in eine Richtung ausbreiten kann, expandiert, wenn der Außendruck bei konstanter Temperatur herabgesetzt wird. Schließlich erreicht er ein maximales Volumen", erläutert Aref die Ergebnisse. "Nach der Gleichung kann derselbe Schaum aber noch weiter ausgedehnt werden, wodurch er jedoch bei einem bestimmten Volumen, das wir berechnen können, instabil wird." Die Simulation lieferte zwei "Phasen": In der einen bestand der Schaum aus einer großen Anzahl kleiner Blasen, die sich zusammenlagerten. In der anderen Phase belegt eine kleine Anzahl großer Blasen den meisten Raum.

Die Wissenschaftler erklären ihre Resultate so, dass die gestiegene Grenzflächenspannung die meisten Blasen zusammendrückt, wodurch die verbliebenen Blasen den Raum ausfüllen müssen. Möglicherweise ist dieser Vorgang für die Klümpchen in aushärtenden Schäumen verantwortlich. Wenn zum Beispiel Brot gebacken wird, "härten die Membranen der Blasen aus, was grob gesprochen einer Zunahme der Grenzflächenspannung entspricht", sagt Aref. "Die daraus entstehende Instabilität führt zu einem Brotlaib, der Haufen kleiner Blasen enthält, die von einigen, viel größeren Blasen umgeben sind."

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